نیروگاه های زمین گرمایی

 

نیروگاه های زمین گرمایی

 

 

  • انرژی زمین گرمایی

انرژی حرارتی که در پوستۀ جامد زمین وجود دارد و حاصل منبع عظیم انرژی حرارتی مرکز زمین است، انرژی زمین گرمایی نامیده می شود، که خود را به صورت فوران های آتشفشانی، آب های گرم و … نشان می دهد. طبق فرضیه های موجود، زمین توده ای آتشین بوده که بیش از ۴ میلیارد سال قبل شکل گرفته و به تدریج به انجماد و سردی گراییده است، این سرد شدن همچنان ادامه دارد. بهره برداری از انرژی گرمایی، به عنوان یک منبع انرژی بالقوه در اعماق زمین، مستقل از شرایط با مشاهدۀ تصویر (۱) مشخص است، ناحیه هایی که دارای پتانسیل انرژی زمین گرمایی می باشد منطبق بر مناطق آتشفشانی و زلزله خیز جهان هستند.

 

مناطق دارای پتانسیل انرژی گرمایی

 

شکل (۱) مناطق دارای پتانسیل انرژی گرمایی در جهان

 

 

  • تاریخچۀ استفاده از انرژی زمین گرمایی

بشر مدت ها است که از انرژی زمین گرمایی با درجه حرارت پایین (چشمه های آبگرم)، جهت استحمام و شستشو و همچنین مصارف درمانی استفاده می کند. اخیراً نیز از این انرژی در تأمین گرمایش گلخانه ها، حوضچه های پرورش ماهی، پیش گیری از یخ زدگی معابر در فصل سرما پمپ های حرارتی جهت تأمین گرمایش و سرمایش ساختمان ها و غیره استفاده می شود.

تولید برق با استفاده از منابع انرژی زمین گرمایی با درجه حرارت بالا نیز طی چند سال اخیر رشد قابل ملاحظه ای داشته است. در فاصلۀ زمانی بین قرن های ۱۶ و ۱۷ میلادی که اولین چاه های زیر زمینی در اعماق چند صد متری حفر شد؛ این نتیجه حاصل شد که هر چه به طرف مرکز کرمی زمین نزدیک تر می شویم دما افزایش می یابد به گونه ای که در ازای هر ۱۰۰ متر افزایش عمق، ۳ درجۀ سانتی گراد به دمای طبیعی زمین افزوده می شود. نخستین اندازه گیری ها به وسیلۀ دماسنج در سال ۱۷۴۰ و در معدنی نزدیک به ناحیه بلغورت در کشور فرانسه انجام شد.

در سال ۱۸۷۰ با روش های پیشرفته علمی نوع رفتار حرارتی زمین مورد مطالعه قرار گرفت. اولین تلاش ها در لاردرلو (ایتالیا) در سال ۱۹۴۰ برای تولید برق با استفاده از انرژی زمین گرمایی صورت گرفت و از آن زمان تاکنون فعالیت های زیادی در این راستا صورت گرفته است. ساخت نیروگاه های دو مداره باعث پیشرفت های چشمگیری در تولید برق با استفاده از انرژی زمین گرمایی و در حال حاضر با به تکامل رسیدن این تکنولوژی، به طور تجاری از آب های گرم زیر زمینی با درجه حرارت معمولی بیشتر از ۱۰۰ درجه ی سانتی گراد) برق تولید می شود.

 

 

  • جایگاه انرژی زمین گرمایی در جهان

 انرژی ژئوترمال سومین نوع از انرژی ها می باشد که در دنیا جهت تولید برق بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

میزان تولید انرژی الکتریکی توسط انرژی های نو در جهان معادل ۲۸۲۶Twh می باشد که از این بین سهم زمین گرمایی ۱/۶ ٪ است. تا سال ۱۹۹۹ میزان تولید الکترسیته در جهان به وسیله ی این نیروگاه ها Mwe ۷۹۷۴ و میزان تولید حرارت توسط انرژی زمین گرمایی نیز Mwe ۱۵۱۴۴ بوده است.

 

 

  • شرایط بهینه برای استفاده از انرژی زمین گرمایی

به طور کلی مناطقی از زمین که دارای سه ویژگی مهم منبع حرارتی: سیال حد و محیط متخلخل هستند، پتانسیل خوبی جهت بهره برداری از انرژی گرمایی دارا می باشند.

۱- منبع حرارتی

مواد مذاب یا سنگ های داغ مجاور آن ها به عنوان منبع انرژی حرارتی باید به گونه ای نزدیک به سطح زمین قرار گرفته باشند که موجب گرم شدن آب های نفوذی شده و در نتیجه با حفاری چاه های تولیدی بتوان سیال گرم استخراج کرد و به حرارت مطلوب رسید.

 ۲- سیال حد واسط

وجود آب برای انتقال حرارت منبع حرارتی به سطح زمین لازم است. آب های جوی و فسیل از جمله سیالات انتقال دهنده ی حرارت در یک سیستم زمین گرمایی هستند.

 ۳- محیط متخلخل

لایه های مختلف زمین باید دارای خلل و فرج های زیاد باشند تا آب های سطحی و نزولات جوی به خوبی داخل زمین نفوذ کنند.

بهره برداری از انرژی زمین گرمایی به دو شکل کلی امکان پذیر است که عبارتند از :

۱) استفاده ی نیروگاهی

۲) استفاده ی غیر نیرو گاهی

 

 

  • فرآیند تولید برق در نیروگاه زمین گرمایی

به طور ساده می توان گفت که نیروگاه های زمین گرمایی به دو دسته ی مهم تقسیم می شوند.

 

 

 

نحوه تولید برق از انرژی زمین گرمایی

 

شکل (۲) نحوه تولید برق از انرژی زمین گرمایی

 

١- نیروگاه زمین گرمایی با سیال دو فاز

در این نیروگاه ها، سیال از چاه های زمین گرمایی خارج می شود، هر چه تعداد این چاه ها بیشتر باشد میزان مایع و بخار خارج شده از چاه ها و متناسب با آن میزان تولید برق نیز بیشتر می شود. این سیالات در مخزن جدا کنندۀ بخار از مایع جمع می شوند. بخار جدا شده وارد توربین می شود و پره های توربین به گردش در می آیند.

پره ها نیز به نوبۀ خود محور توربین و در نتیجه محور ژنراتور را به حرکت وا می دارند که باعث به وجود آمدن قطب های مثبت و منفی در ژنراتور شده و در نتیجه برق تولید می شود.

 

 

نیروگاه زمین گرمایی با سیال دو فاز

 

شکل (۳) نیروگاه زمین گرمایی با سیال دو فاز

 

 

۲- نیروگاه زمین گرمایی با سیال تک فاز

در این نوع نیروگاه ها، نیاز به مخزن جدا کننده نمی باشد زیرا آب گرم وارد مبدل حرارتی شده و حرارت خود را به سیال عامل دیگری که نقطه ی جوش پایین تری نسبت به آب دارد منتقل می کند. معمولاً سیال عامل را سیال هایی مانند: ایزوپنتان، ایزو بوتان و … در نظر می گیرند. در این فرآیند سیال عامل به بخار تبدیل شده و به توربین منتقل می شود که مانند روش قبلی تولید برق می نماید.

جهت بالا بردن راندمان نیروگاه ها و تولید برق بیشتر می توان این دو نوع نیروگاه را به صورت موازی و سری ترکیب نمود و یا با استفاده از مبدل های حرارتی و عملیات پیش گرمایش راندمان نیروگاه را بیشتر نمود.

 

 

نیروگاه زمین گرمایی با سیال تک فاز

 

شکل (۴) نیروگاه زمین گرمایی با سیال تک فاز

 

 

  • میزان آلایندگی نیروگاه های زمین گرمایی

امروزه نیروگاه ها از جمله عوامل مهم آلودگی هوا می باشند که با تولید حجم زیادی از گازهای گلخانه ای و سایر ترکیبات زیان آور موجب تخریب محیط زیست می شود. نیروگاه های زمین گرمایی به دلیل تولید بسیار کم مواد آلاینده از پاک ترین نیروگاه ها هستند. میزان آلودگی این نیروگاه ها بر حسب سیکل به کار رفته متفاوت است.

سیکل با سیال تک فاز بیشتر از سیکل تبخیر آبی (سیال دو فاز)، گازهای آلاینده تولید می کند. در سیکل دو مداره به دلیل این که جریان آب داغ در یک مدار بسته قرار دارد و همچنین عدم ارتباط آن با محیط اطراف نیروگاه، تقریبا میزان آلایندگی نیروگاه صفر است. زیرا همۀ سیال خروجی از چاه پس از انجام کار در نیروگاه مجددا به زمین باز می گردد. با انجام این کار علاوه بر این که آب مورد نیاز مخزن تأمین می شود، آثار سوء ناشی از رهاسازی آب داغ در محیط زیست کاهش می یابد.

میزان گازهای NH،SO،CO۲، در نیروگاه های زمین گرمایی خیلی کمتر از میزان تولید این گازها در نیروگاه های فسیلی است. گاز دی اکسید کربن (CO2) جزو گازهای گلخانه ای است که باعث افزایش درجۀ حرارت کرۀ زمین می شود. با مقایسۀ یک کیلو وات ساعت برق تولیدی از نیروگاه های فسیلی و یک کیلو وات ساعت برق تولیدی از نیروگاه زمین گرمایی در می یابیم، میزان گازهای گلخانه ای تولید شده در نیروگاه زمین گرمایی در حدود ۹۵ درصد کاهش می یابد. سیستم های زمین گرمایی بعضی از انواع گازهای غیرقابل میعان را تولید می کنند. (CO۲ بیش از ۹۰ درصد وزن این گازها را تشکیل می دهد) با توجه به این که در سیستم های زمین گرمایی گازهای غیر قابل میعان کمتر از ۵ درصد وزن بخار تولید شده را تشکیل می دهند در نتیجه میزان CO2 نیروگاه های زمین گرمایی خیلی کمتر از مقدار تولید شده در نیروگاه های فسیلی است، این مقدار کم هم با تزریق آب داغ به درون زمین کمتر می شود.

سولفید هیدروژن ( H2S) هم از گازهایی است که نیروگاه های زمین گرمایی به مقدار کمی تولید می کنند. این گاز پس از خروج از نیروگاه توسط ترکیبات موجود در هوا اکسید شده و به SO2 تبدیل می شود که از عوامل اصلی ایجاد باران های اسیدی می باشد. امروزه به کمک فرآیندهایی، H2S خروجی از نیروگاه را تا حدود ۹۹/۹ درصد کاهش می دهند. گاز تولیدی دیگر در نیروگاه های زمین گرمایی آمونیاک (NH3) می باشد.

این گاز پس از خروج از دودکش نیروگاه در اتمسفر، اکسید شده و به آب تبدیل می شود. در نیروگاه های زمین گرمایی احتراق روی نمی دهد، پس در این نیروگاه ها هیچ یک از ترکیبات NO2 تولید نمی شود. استفاده از انرژی زمین گرمایی برای تولید برق سبب کاهش قابل ملاحظه آلاینده ها می شود. به عنوان مثال در آمریکا تولید برق از منابع زمین گرمایی هر ساله مانع از انتشار ۲۲ میلیون تن CO2، ۲۰۰ هزار تن NO2 و ۱۰۰ هزار تن ذرات معلق به درون جو می شود.

تولید برق به این روش در پایتخت ایسلند، این شهر را از نظر کیفیت هوا تبدیل به پاکیزه ترین پایتخت جهان کرده است.

آب داغ خروجی از نیروگاه زمین گرمایی علاوه بر درجه ی حرارت بالا حاوی ترکیباتی مانند B ،NaCl، As و Hg میباشد. بدیهی است که این مواد باید قبل از تزریق دوبارۀ آب به زمین، تصفیه شود. به این نکته هم باید توجه شود که آب داغ تزریقی نباید صدمه ای به سفره های آب زیرزمینی وارد کند، لذا در همۀ چاه های زمین گرمایی چه در حین حفاری و چه در زمان تولید آب داغ یا بخار، محیط درون چاه به وسیلۀ لوله های فلزی مخصوصی از محیط اطراف خود جدا می شوند که این امر باعث عدم نفوذ آب داغ یا بخار و ترکیبات آلاینده به سفره های آب زیرزمینی کم عمق می شود.

 از نظر عملکرد نیز انرژی زمین گرمایی برتری هایی نسبت به سایر انرژی ها دارد، از جمله:

  • صرفه جویی در مصرف سوخت فسیلی
  • زمان کار کرد طولانی
  • گستردگی موارد کاربرد
  • مستقل از شرایط جوی
  •  تولید برق به وسیلۀ واحدهای قابل حمل.

 

 

  • استفاده غیر نیروگاهی از انرژی زمین گرمایی

۱) استخرهای آب گرم.

۲) مراکز گلخانه ای.

۳) گرمایش منازل

۴) حوضچه های پرورش ماهی.

۵) ذوب برف و پیشگیری از یخبندان در معابر.

۶) پمپ حرارتی

با استفاده از این انرژی تا چه اندازه می توان در مصرف سوخت های فسیلی صرفه جویی کرد و محیط زیست پاکی خواهیم داشت.

 

 

 

مقالات مرتبط